1 概述
1.1 蒸发及蒸发流程
定义：物质从液态转化为气态的相变过程。
蒸发是采用加热的方法，使含有不挥发性杂质（如盐类）的溶液沸腾，除去其中被汽化单位部分杂质，使溶液得以浓缩的单元操作过程。
蒸发操作广泛用于浓缩各种不挥发性物质的水溶液，是化工、医药、食品等工业中较为常见的单元操作。化工生产中蒸发主要用于以下几种目的：
（1）获得浓缩的溶液产品；
（2）将溶液蒸发增浓后，冷却结晶，用以获得固体产品，如烧碱、抗生素、糖等产品；
（3）脱除杂质，获得纯净的溶剂或半成品，如海水淡化。进行蒸发操作的设备叫做蒸发器。
蒸发器内要有足够的加热面积，使溶液受热沸腾。溶液在蒸发器内因各处密度的差异而形成某种循环流动，被浓缩到规定浓度后排出蒸发器外。蒸发器内备有足够的分离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽如不再利用，应将其在冷凝器中加以冷凝。
蒸发过程中经常采用饱和蒸汽间壁加热的方法，通常把作热源用的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液蒸发出来的蒸汽叫做二次蒸汽。
1.2 蒸发操作的分类
按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。
按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作称为单效蒸发。若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。
按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。真空蒸发有许多优点：
（1）在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差，减小蒸发器的传热面积；
（2）可以利用低压蒸气作为加热剂； （3）有利于对热敏性物料的蒸发； （4）操作温度低，热损失较小。
在加压蒸发中，所得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气加以利用。因
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此，单效蒸发多为真空蒸发；多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在真空下操作。
1.3 蒸发操作的特点
从上述对蒸发过程的简单介绍可知，常见的蒸发时间壁两侧分别为蒸气冷凝和液体沸腾的传热过程，蒸发器也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，蒸发操作又有如下特点 :
(1)沸点升高 蒸发的溶液中含有不挥发性的溶质，在港台压力下溶液的蒸气压较同温度下纯溶剂的蒸气压低，使溶液的沸点高于纯溶液的沸点，这种现象称为溶液沸点的升高。在加热蒸气温度一定的情况下，蒸发溶液时的传热温差必定小于加热唇溶剂的纯热温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。
(2)物料的工艺特性 蒸发的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能析出晶体，或易于结垢；有些则具有较大的黏度或较强的腐蚀性等。如何根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备是蒸发操作彼此必须要考虑的问题。
(3)节约能源 蒸发时汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸气。如何充分利用热量，提高加热蒸气的利用率是蒸发操作要考虑的另一个问题。
1.4 蒸发器选型
随着工业蒸发技术的发展，蒸发设备的结构与形式亦不断改进与创新，其种类繁多、结构各异。 本次设计要求采用中央循环管式蒸发器，其结构中，加热室由一垂直的加热管束（沸腾管束）构成，在管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管。 中央循环管式蒸发器具有结构紧凑、制造方便、操作可靠等优点，故在工业上应用较广，有“标准蒸发器”之称。但实际上，由于结构上的限制，其循环速度较低（一般在 0.5m/s 以下）；而且由于溶液在加热管内不断循环，使其组成始终接近完成液的组成，因而溶液的沸点高、有效温度差减小。此外，设备的清洗和检修也不够方便。
2设计任务
2.1设计题目
设计题目：KNO3水溶液三效并流加料蒸发装置设计
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2.2设计任务及操作条件 2.2.1设计任务
1.处理能力：年处理硝酸钾水溶液（8.0×10+30X）吨〖注：X代表学号最后两位数〗。
2.设备型式：中央循环管式蒸发器。
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2.2.2.操作条件
（1）原料液浓度15%，完成液浓度45%，原料液温度80℃；原料液比热容3.5kJ/kg·℃。
（2）加热蒸汽压为.400kPa（绝压），冷凝器压强为20kPa（绝压）。 （3）各效蒸发器的总传热系数：K1=2000W/m·℃；K2=1000W/m·℃； K3=500W/m·℃;
（4）各效蒸发器中液面的高度1.5m。
（5）各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。各效传热面积相等，并忽略浓缩热和热损失。不计静压效应和流体阻力对沸点的影响。 （6）每年按330天计，每天24小时连续运行。
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2.3设计项目
1．设计方案简介：对确定的工艺流程及蒸发器型式进行简要论述。 2．蒸发器的工艺计算：确定蒸发器的传热面积。 3．蒸发器的主要结构尺寸设计。
4．主要辅助设备设计选型，包括汽液分离器及蒸汽冷凝器。 5．绘制工艺流程图及蒸发设备工艺简图（3＃图纸）。 6．对本设计的评述。
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3设计条件及设计方案说明
本次设计要求采用中央循环管式蒸发器，在工业上被称为标准蒸发器。其特点是结构紧凑、制造方便、传热较好及操作可靠等。它的加热室由垂直的加热管束组成，在管束中央有一根直径很大的管子，称为中央循环管。
在蒸发操作中，为保证传热的正常进行，根据经验，每效分配到的温差不能小于5～7℃。通常，对于沸点升高较大的电解质溶液，应采取2～3效。由于本次设计任务是处理KNO3溶液。这种溶液是一种沸点升高较大的电解质，故选用三效蒸发器。另外，由于KNO3溶液是一种粘度不大的料液，故多效蒸发流程采用并流操作。
多效蒸发器工艺设计的主要依据是物料衡算、热量衡算及传热速率方程。计算的主要项目有：加热蒸气(生蒸气)的消耗量，各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积等。多效蒸发器的计算一般采用迭代计算法。
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